新給體-受體型共軛聚合物的設計、合成及光伏性能的研究.pdf

1、共軛聚合物是聚合物太陽能電池(PSCs)中的關鍵材料，設計與合成高性能的共軛聚合物(CPs)是提升PSCs光伏性能的重要手段。而不斷探索具有新化學結(jié)構的CPs，從而積累和探索適用于活性層CPs化學結(jié)構的設計規(guī)則，這為不斷提升PSCs的光伏性能提供了可能性。本論文主要圍繞新給體(D)-受體(A)型共軛聚合物材料的設計、合成以及光電性能的研究工作。其新型A構筑單元主要圍繞異靛藍及其衍生物，新型D構筑單元主要圍繞萘并二呋喃化合物。主要內(nèi)容如下

2、:
　　1.設計合成了Ⅳ-酰基異靛藍單元，并將其作為強受體單元合成了一系列具有N-?；湹腄-A型異靛藍基聚合物。聚合物在可見光及近紅外范圍內(nèi)具有寬吸收(450～900nm)。由于N-?；鶊F具有缺電子性質(zhì)，共軛主鏈上的N-?；鶊F推動了聚合物的光學吸收顯著紅移(＞60 nm)，降低了聚合物光學能帶隙(1.31～1.38 eV)和HOMO能級，尤其是顯著降低了聚合物的LUMO能級，使其降低于-4.10 eV（相對于具有相似共軛骨架的Ⅳ

3、-烷基異靛藍基聚合物）。聚合物具有在活性層替代富勒烯作為受體材料的應用潛力。
　　2.設計合成了異靛藍衍生物IBTI，避免了異靛藍化學結(jié)構中的空間位阻現(xiàn)象，IBTI拓寬了π共軛長度，增強了分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，使得IBTI的光吸收峰出現(xiàn)明顯的紅移，而且在峰值處出現(xiàn)了較高的摩爾消光系數(shù)。并以IBTI為受單體共聚得到了聚合物PBDT-IBTI和PBDTT-IBTI。理論計算表明PBDT-IBTI存在分布均勻HOMO軌道，這有利于載流子的傳輸

4、。兩個CPs均呈現(xiàn)出了在波長470～700 nm范圍內(nèi)的強吸收，均具有適用PSCs的光學能帶隙和能級?；赑BDTT-IBTI的PSC器件，經(jīng)過性能優(yōu)化后太陽能轉(zhuǎn)換效率(PCE)達到3.94％;而基于PBDTT-IBTI的PSC在活性層為PBDTT-IBTI/PC61BM（質(zhì)量比例為1∶2，加入2％1，8-二碘辛烷），PCE高達6.41％。說明應用于PSCs的D-A型CPs中IBTI作為A構筑單元具有較好的應用前景，還說明以吲哚酮為基本

5、單元可以合成出多種異靛藍衍生物用于構筑D-A型CPs。
　　3.設計合成了兩個角型萘并二呋喃(NDFs)異構體，并將其作為D單元與異靛藍作為A單元共聚得到了兩個NDFs基聚合物PIDNDF1和PIDNDF2。研究了NDFs的不同構型對CPs性能的影響。在溶液狀態(tài)下PIDNDF1比PIDNDF2存在更高的摩爾消光系數(shù)，而且PIDNDF1比PIDNDF2在溶液或固態(tài)下的紫外-可見光吸收均發(fā)生紅移。理論計算發(fā)現(xiàn)PIDNDF2中的D構筑單

6、元與A構筑單元之間的二面角達到26.89°，是PIDNDF1二面角的近兩倍。NDFs的分子構型對聚合物的HOMO能級影響很小，均具有較低的HOMO能級。基于PIDNDF1與PIDNDF2的PSCs器件均取得較高的開路電壓?；赑IDNDF1的PSC的PCE達到1.83％，是基于PIDNDF2器件效率的近兩倍。兩個聚合物之間的性能差異很有可能是由于聚合物共軛骨架中NDFs的不同構型所致。4.設計合成了將助溶基團轉(zhuǎn)移至NDFs中間位置的具有

7、二維共軛結(jié)構的角型萘并二呋喃單體NDFT，有效地避免了在上一章中高分子共軛骨架結(jié)構單元之間的空間位阻現(xiàn)象。并將其作為D單體與具有代表性的A單體共聚得到了一系列NDFT基聚合物。不同受體構筑單元對CPs的光吸收性能和LUMO能級影響很大，該系列CPs的光學能帶隙在1.32～2.10 eV之間。CPs均具有較低的HOMO能級。理論計算表明PNDFT-DPP、PNDFT-DPP共軛骨架中結(jié)構單元之間的二面角均小于1°，說明NDFT單體能有效避